Entwicklung und Herstellung von mehrschaligen hochschalldämmenden Bauteilen aus naturfaserverstärktem Kunststoff

Projektlaufzeit:

01/2011 - 03/2013

Projektleitung (Organisationseinheit):

Prof. Dr. Lars Frormann (Fakultät Automobil- und Maschinenbau)

Projekttyp:

WHZ-Forschungsprojekt

Kontakt:

Prof. Dr. Lars Frormann

+49 (375) 536 1721
lars.frormannfh-zwickaude

Fördermittelgeber:

BMWi

Situation

Für die Anwendung in der Bauakustik steht der Schutz des Bewohners vor unzumutbarem Lärm aus den angrenzenden Räumen im Vordergrund. Zentrale Aufgabe ist es daher, für eine ausreichende Schalldämmung zu sorgen. Als Maß für den Widerstand eines Bauteils gegenüber der Schalltransmission dient das ogenannte Schalldämmmaß. Generell lässt sich ein hohes Schalldämmmaß und damit eine gute Schalldämmung durch ausreichend dicke bzw. schwere Trennbauteile oder mehrschalige Konstruktionen erzielen, die jedoch akustisch dicht sein müssen. Die Schalldämmung einschaliger Konstruktionen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen wurde bereits untersucht und in der Literatur beschrieben. Auch wurden die Grenzen solcher Konstruktionen in Bezug auf Hochschalldämmung aufgezeigt. Im Rahmen des vorliegenden Projektes stehen daher mehrschalige Konstruktionen im Zentrum der Entwicklungen und Untersuchungen, da diese ein deutlich größeres Potential für die angestrebten Eigenschaften bieten.

Aufgabe

Gesamtziel des Verbundprojektes war die Herstellung von hochschalldämmenden Bauteilen aus naturfaserverstärkten oder -gefüllten Kunststoffen. Bei der Fertigung der Elemente sollte die Technologie des Plastifizier-Pressens angewendet und hinsichtlich der Zielstellung optimiert werden. Hierzu war es notwendig die Formteile bezüglich der mechanischen und akustischen Eigenschaften zu charakterisieren. Zur Bearbeitung der inhaltlichen Aufgabenstellung mussten Schwerpunkte aus den Bereichen Werkstoffkunde, Mechanik, Produktions- und Fertigungstechnik sowie Akustik untersucht werden. Aufgrund der Komplexität und Vielschichtigkeit der Aufgabenstellung, erfolgte die Bearbeitung der Thematik in Kooperation von je zwei Unternehmen und Forschungseinrichtungen.

Im Teilprojekt der WHZ wurde die Entwicklung einer Technologie zur Herstellung von mehrschaligen hochschalldämmenden Sandwichelementen aus mit Naturfasern verstärkten Kunststoff untersucht. Die so gefertigten Bauteile sollten in einem möglichst großen Bereich eine gute Schalldämmung aufweisen.

Ergebnis

Die Herstellung der Sandwichbauteile erfolgte in zwei Prozessschritten, wie in Abb. 1 schematisch dargestellt. Hierbei wurde zunächst ein Polypropylen, welches mit einem Anteil von 70 % Holzfasern verstärkt ist, mittels eines Plastifikators aufgeschmolzen. Dieser funktioniert als eine Art Einschneckenextruder, arbeitet jedoch diskontinuierlich und kann somit bei einer guten Homogenisierung Kunststoffmassen von bis zu 4 kg je Schuss auswerfen. Diese Masse wurde dann direkt in der Thermopresse zu den Schalenelementen weiterverarbeitet. Die Verwendung eines Plastifizieraggregates in diesem Prozessschritt ist insofern vorteilhaft, da sich somit eine hervorragende Aufschmelzqualität ergibt und gleichzeitig Zeiteinsparungen im Bereich von ca. 60 % ermöglicht. In einem weiteren Schritt wurde zwischen zwei Schalenelemente ein PUR-Schaumsystem geschäumt. Hierzu war eigens eine spezielle Oberflächenbehandlung notwendig, um die Haftfestigkeit des Schaumes an der Polypropylenmatrix der Schalenelemente zu erhöhen.

(Bild)

Als wesentlich bei der Charakterisierung des akustischen Verhaltens der Sandwichelemente war die Ermittlung des Schalldämm-Maßes. Dieses wurde durch den Projektpartner mittels eines sogenannten Fensterprüfstandes bestimmt. Zur Bestückung der Prüföffnung des Prüfstandes wurden entsprechende Technologie-Demonstratoren, mit der Abmessung 1.500 x 1.250, benötigt. Üblicherweise wird diese Fläche mit einem Element geschlossen. Da die vorhandenen Kapazitäten der Hochschule überwiegend dem Labormaßstab entsprechen, musste die Prüföffnung durch Zusammensetzen mehrerer kleiner Sandwichelemente erfolgen (facettierter Fensterprüfstand), was jedoch nachweißlich keinen signifikanten Einfluss auf das bewertete Schalldämmmaß im betrachteten Frequenzbereich hatte. Mit einer optimierten Variante wurde ein Schalldämmmaß (vgl. Abb. 2) erreicht, das es ermöglicht Trennwände mit einem derartigen Aufbau zwischen Seminarräumen oder ähnlichen Räumen einzusetzen. (Bild)